急倾斜特厚煤层开采深度持续增大, 其冲击地压灾害日益严峻, 诱冲因素呈现出多样性和演变特征, 为冲击地压精准防治带来困难。针对以上问题, 综合采用案例分析、现场监测和理论分析等方法, 以新疆某典型急倾斜特厚煤层矿井为工程背景开展诱冲因素演变规律研究。通过分析矿井5次典型冲击地压显现事件, 发现急倾斜顶板、中间岩柱、遗留煤柱、开采深度、开采强度和水平构造应力是主要诱冲因素。基于三角模糊数改进了层次分析方法, 建立了诱冲因素权重量化计算方法并得到了诱冲因素演变规律。研究发现, 急倾斜顶板和中间岩柱的诱冲权重最大, 是最为主要的诱冲因素, 且随煤层开采持续增大; 开采深度和水平构造应力诱冲权重随着急倾斜特厚煤层持续开采整体增大, 诱冲作用逐渐增强; 遗留煤柱诱冲权重整体呈降低趋势, 表明采空区内遗留煤柱对冲击地压的影响逐渐减小; 开采强度的诱冲权重整体降低。通过开采数据分析、微震监测、地应力测试、数值模拟和理论研究等手段较好地验证了急倾斜特厚煤层诱冲因素演变规律。研究成果可为急倾斜特厚煤层冲击地压精准治理提供参考。

深部煤炭开采面临复杂地质环境及工程扰动, “三高一扰动”环境致使围岩非线性大变形、灾变失稳频发, 严重制约深部资源安全高效开发。为探明深部真三轴应力下煤岩体力学响应行为与能量演化特征, 采用多功能真三轴流固耦合试验系统进行了不同中间主应力下原煤、砂岩、复合煤岩的真三轴力学试验。结果表明: 复合煤岩塑性变形能力更强, 峰后应力降更小; 煤样耗散能在峰后显著增大, 而砂岩在塑性阶段开始加速增长, 复合煤岩能量演化在低应力时接近砂岩, 在高应力时接近煤; 煤样能量释放率G_e和能量耗散率G_d波动峰值在强度峰值附近, 提高中间主应力σ₂使振幅下降, 砂岩波动峰值在屈服阶段, 但σ₂对其影响较弱, 复合煤岩峰后波动幅度平缓但幅值高, σ₂增大显著抑制其峰后振幅; 峰后弹性能释放对脆性指数的影响比峰前弹性储能更大; 煤样主要由单一主裂纹贯穿, 受σ₂变化影响小, 砂岩在低σ₂时裂隙复杂, 在中高应力时裂隙更加简单, 复合煤岩砂岩层的次生裂纹沿最大主应力σ₁方向扩展, 而煤层的次生裂纹沿最小主应力σ₃方向扩展。研究结果可为深部资源开采围岩控制、动力灾害防控等提供重要理论、技术支撑。

煤矿深部软弱围岩高应力与低强度的矛盾突出, 易诱发巷道大变形灾害, 严重威胁安全生产。钻孔卸压技术通过应力释放与空间补偿机制提升围岩强度应力比, 近年来在理论与工程实践中取得显著进展。本文系统梳理了国内外钻孔卸压技术研究动态, 重点从作用机理、参数设计、模型试验及效果评价等方面展开分析, 得出以下关键结论: ①卸压钻孔通过诱导裂隙扩展实现三向应力协同调控及剪胀变形补偿, 形成“浅部卸压−深部承载”的应力分布格局, 并与高强支护协同构成“卸−支协同”体系; ②钻孔直径、间距与深度等关键参数对卸压效果影响显著, 现有研究已初步建立多因素耦合设计准则, 但其在复杂地质条件下的适用性仍需进一步验证; ③当前技术仍面临卸压效果定量评价体系不完善、能量演化机制不明确、卸压−支护动态耦合理论欠缺等瓶颈。展望未来, 应重点构建“多场耦合−动静协同”的卸压机制分析框架, 发展融合热−水−力−损伤效应的动态本构理论; 研发基于随钻感知与智能决策的精准卸压装备; 优化差异化支护与注浆补强办法, 构建卸压−支护−加固一体化控制体系, 推动钻孔卸压技术向智能化、精准化、规模化方向发展。

矿井采掘工作面粉尘、高湿度和烟雾等复杂环境会导致监控图像特征退化, 且不同雾气浓度产生的退化也会有差异。同时, 由于当前图像去雾模型的训练主要基于合成雾数据, 其获得的先验知识与矿井真实雾气之间存在固有的域间差异。这些问题严重制约了矿井智能监控的效果, 对安全生产构成隐患。基于此, 提出一种基于雾气分级与域间差异的采掘工作面图像去雾方法。①基于不同浓度尘雾图像在解空间上的差异, 构建雾气评价指标以指导尘雾图像分级, 并自动匹配不同规模的网络结构, 实现采掘工作面轻雾场景的快速去雾和浓雾场景的深度细节恢复。②改进对比学习策略, 利用雾气评价指标对轻雾与浓雾图像进行负样本分级, 细化不同浓度雾气特征的对比学习, 从而强化模型对不同雾气特征的判别能力和跨域泛化表现。③针对合成雾与尘雾图像之间的数据域差异, 提出无需真实数据标注的无监督微调策略, 通过循环一致性约束校正去雾映射函数, 有效缓解模型在采掘工作面场景中的性能衰减。试验结果表明, 此方法在合成数据集和采掘工作面尘雾图像的去雾效果均优于现有主流方法, 可为煤矿井下智能监控和安全生产提供参考。

针对特厚煤层10 m超大采高工作面厚硬岩层破断规律与覆岩垮落运移机理认识不足的问题, 以曹家滩煤矿122104工作面为工程背景, 综合采用相似模拟试验、图像处理与统计分析以及现场监测方法, 研究厚硬岩层破断对覆岩垮落运移过程的主导作用, 并通过现场实测数据验证模型结论的工程适用性与一致性。(1)提出了基于多时序覆岩图像的裂隙自动提取与多指标定量方法, 实现了裂隙发育高度、覆盖面积、总长度等参数的高效量化。结果表明, 裂隙参数随工作面推进呈显著的“阶梯式”跃升特征, 各突变点与厚硬岩层(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的破断时序严格对应, 从裂隙演化角度定量揭示了厚硬岩层破断对覆岩运移的主控作用。(2)阐明了厚硬岩层“悬臂梁–协同垮落”的破断机制: 破断前其形成大跨度悬臂梁结构, 限制覆岩垮落; 悬臂梁达到极限时发生突发破断, 触发覆岩大范围协同垮落, 呈现典型结构性破坏特征。(3)现场分层沉降、矿压与微震监测结果与模型试验形成了有效互证: 分层沉降曲线揭示的岩层协同运移模式与模型中的裂隙“阶梯式”扩展规律高度一致; 矿压监测显示厚硬岩层Ⅱ、Ⅲ破断直接诱发强烈周期来压; 微震监测进一步证实, 厚硬岩层的周期性破断是覆岩能量集中释放的主要来源, 从空间演化与能量释放两方面共同验证了厚硬岩层破断主导覆岩运移机制的现场适用性。从裂隙演化视角系统阐明了厚硬岩层破断主导超大采高覆岩垮落运移的机理, 为10 m超大采高工作面覆岩运动理论完善与顶板灾害防控提供了量化理论依据。

针对坚硬顶底板煤层综采工作面区段煤柱失稳问题, 以新疆某矿井1016工作面轨道运输平巷区段煤柱为工程背景, 通过理论分析、数值模拟及现场试验的研究方法, 分析了工作面覆岩运移规律, 提出了坚硬顶底板条件下煤柱内能量积聚成因, 研究了煤柱内弹性能密度与第一、第三主应力间的函数关系, 根据弹性力学得出了不同应力集中系数下煤柱内应力及能量分布规律。研究结果表明: 上工作面开采后, 厚硬基本顶会形成“长悬臂梁”结构, 造成煤柱内载荷升高; 由于煤体强度与顶底板强度相差较大, 造成外界输入“顶板–煤柱–底板”系统的能量主要以弹性应变能形式在煤柱内积聚; 区段煤柱中任意位置处弹性应变能与第一、第三主应力之间可大致视为正相关关系; 煤柱内弹塑性区交界区域为煤柱内弹性应变能主要积聚部位; 掘巷后煤柱应力环境的恶化、煤柱内积聚能量的释放是煤柱发生变形破坏的主要原因; 提出了“顶板密集钻孔+煤柱钻孔卸压+加强支护”防治技术, 现场应用效果显著。

巷道围岩中往往含有复杂的节理裂隙、形态大小不一的孔洞等内部结构特征, 这些缺陷严重影响了巷道围岩的稳定性。室内物理模型试验是研究工程岩体稳定性的主要途径之一, 然而, 传统方法难以制造出一批具有完全相同结构和性质的物理模型且物理模型的力学特性和内部结构与工程实际岩体的力学特性存在较大差异, 这极大限制了物理模型试验在反映实际工程巷道时的科学性。近年来, 快速发展的3D打印技术可有效弥补传统方法的不足, 在材料研发层面, 通过系统调控打印基质、颗粒级配、黏结剂饱和度以及玻璃纤维掺量等方法, 成功制备出在力学行为上与天然煤岩高度相似的砂型3D打印类煤岩材料, 为实现物理模型的制作奠定了材料基础。在机理研究层面, 基于此类煤岩材料开展的锚固体力学试验, 系统揭示了锚杆等支护元件的锚固机制, 验证了其用于模拟天然岩体锚固试验的可行性, 为支护结构的设计提供了理论依据。最终, 在模型试验层面, 研究进一步利用砂型3D打印技术, 通过分层打印工艺, 分别构建了完整围岩与含裂隙围岩条件下的锚固巷道物理模型。结合双轴加载系统与数字散斑技术(DIC), 定量分析了裂隙对巷道变形破坏规律的影响。试验所揭示的破坏模式与工程现场观测结果高度吻合。系列研究表明, 砂型3D打印技术能够实现从材料性能、内部结构到力学特性的高精度重构, 有效弥补了传统模型试验方法的不足, 在岩体工程物理模拟研究中展现出良好的应用前景与科学性。

以青藏高原季节性青砂岩为主要研究对象, 通过室内试验探究冻融循环(F-T)对青砂岩动态断裂特征的影响。采用20 ℃~−20 ℃的冻融区间对岩样进行预处理, 结合SHPB试验装置开展冲击三点弯曲试验, 并利用高速摄像机和Ncorr软件分析断裂过程区(FPZ)的演化规律。研究结果表明: 青砂岩力学性能在经历冻融循环之后显著劣化, 并影响其动态断裂行为。随着F-T次数增加, 预制裂缝贯通时间延长, 相同时间内的裂纹张开宽度增加, 且达到相同宽度所需时间减少。在111 ms前, 裂纹张开速度受冻融循环次数的抑制, 之后影响减弱。由此可见, 冻融作用主要影响裂缝尖端初始扩展阶段。FPZ的发育规律可分为“扩展—收缩”两阶段, 初始阶段微裂纹在裂缝前端聚集, 随荷载增大FPZ范围扩展; 主裂纹贯通后, 因能量释放而收缩消失。岩石内部在冻融作用下形成了大量孔隙结构, 增强了能量吸收能力, 导致FPZ极值减小且峰值提前, 破坏模式由脆性向延性转变, 表现为裂缝贯通时间延长和初始张开速度降低。研究成果可为寒区工程岩体的动力灾害解危提供可参考的基础试验数据。

为研究充填体在不同骨料粒径分布和养护龄期条件下的力学性能及损伤演化特征, 以煤矸石为骨料, 粉煤灰为辅助胶凝材料制备胶结充填体, 研究了不同骨料粒径条件下充填体试样的力学性能、微观结构及破裂演化特征, 并基于耗散能建立了考虑养护龄期效应的充填体损伤本构模型, 进一步揭示了胶结充填体的能量损伤演化过程。研究结果表明: 不同骨料粒径分布下, 充填体的抗压强度及弹性模量均随着养护龄期的延长而增大; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样弹性模量和峰值应力最高, 0~10 mm的次之, 5~10 mm的最小; 单轴压缩下骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样保持了较好的完整性, 而养护龄期的延长能够抑制破坏裂纹的扩展与贯通, 提高了试样的完整性; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样微观结构的致密性最佳, 并且养护龄期的延长降低了充填体试样内部空隙结构的尺度及范围, 提高了微观结构的致密性; 不同骨料粒径分布充填体试样总能量、弹性应变能及耗散能随养护龄期的增加呈二次函数的递增趋势, 并且骨料粒径分布及养护龄期的变化不会对充填体试样内部能量积聚与耗散过程造成影响; 建立的考虑养护龄期效应的损伤本构模型能够准确反映充填体试样的受载应力分布, 并且充填体试样的损伤演化可划分为初始损伤阶段、损伤平稳阶段、损伤加速增长阶段及损伤破坏阶段4个阶段。

针对滨湖煤矿薄煤层坚硬顶板条件下迎采对掘沿空巷道围岩变形剧烈、维护困难的问题, 综合运用理论分析、数值模拟与现场试验方法, 深入探究了邻空侧覆岩运动特征、垮落结构形态及其诱发的巷道失稳机理, 优化了切顶卸压护巷的关键技术参数并进行工程应用。研究结果表明: 16煤上覆岩层存在两层主导性的关键层, 其结构特征与力学行为控制着邻空侧岩层的运动规律与垮落结构形态, 该区域侧向悬顶在其动态演化(形成、运动及垮落)过程中, 对巷道围岩施加了显著的多次动载冲击与高静载应力作用, 显著增大了巷道破坏失稳风险。基于最大主应力偏张量评价指标, 优化确定切顶高度为16 m、切顶角度为10°, 并通过现场试验进一步优化了爆破参数, 确定深孔爆破间距为2 m、浅孔爆破间距为1 m。此外, 为提高巷道围岩承载能力, 采用了“锚网索带”主体支护结合“单元支架”临时补强的综合支护体系。矿压观测表明, 巷道围岩变形得到有效控制, 在工作面后方滞后约140 m处即达到自稳状态, 验证了切顶卸压护巷技术在解决薄煤层坚硬顶板沿空巷道维护难题方面的有效性。